реф. Отчет по Учебной практике Тема Волоконнооптические датчики Студент гр. 2209 Красавин В. А. Руководитель Костик Н. Р. СанктПетербург 2022
 Скачать 1.45 Mb.
|
|
МИНОБРНАУКИ РОССИИ САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА) Кафедра фотоники ОТЧЕТ по «Учебной» практике Тема: Волоконно-оптические датчики Студент гр. 2209 Красавин В.А. Руководитель Костик Н.Р. Санкт-Петербург 2022 2 ЗАДАНИЕ НА «УЧЕБНОЙ» ПРАКТИКУ Студент Красавин В.А Группа 2209 Тема практики: Волоконно-оптические датчики Задание на практику: Подготовить обзор литературы на заданную тему. Оформление отчета осуществляется в соответствии с утвержденной в СПбГЭТУ формой отчетов по практике, соответствующей ГОСТ 7.32-2017 «Отчет о научно-исследовательской работе». Отчет оформляется в любом тек- стовом редакторе и сдается преподавателю в электронном виде в формате Word или PDF. Работа должна содержать титульный лист, задание, аннотацию на русском и английском языках, введение, обзор литературы, заключение и список источников, оформленный по ГОСТ Р 7.0.100–2018 «Библиографиче- ская запись. Библиографическое описание». Объем работы должен составлять от 15 до 30 страниц, форматирование шриф- том Times New Roman или Colibri 14 кегля через 1,5 интервала. При подго- товке работы необходимо использовать не менее 15 источников, среди кото- рых не менее 50% должны составлять учебники и учебные пособия для вузов, монографии, оригинальные статьи или обзоры не старше 10 лет. Сроки прохождения практики: 01.09.2022 – 30.12.2022 Дата сдачи отчета: 20.12.2022 Дата защиты отчета: 27.012.2022 Студент Красавин В.А. Руководитель Костик Н.Р. 3 АННОТАЦИЯ Начло развития волоконно-оптических технологий и сфера их примене- ний. Технологические процессы изготовления, применяемые в волокнно-опти- ческих средствах. Типы и классификации применяемых устройств, изделий и их элементов. Устройство и принцип работы на примере распределённого датчика температуры. Область применения волоконно-оптических датчиков. Перспек- тивность развития технологии. SUMMARY The beginning of the development of fiber-optic technologies and the scope of their applications. Manufacturing processes used in fiber-optic devices. Types and classifications of devices, products and their elements used. The device and the prin- ciple of operation on the example of a distributed temperature sensor. The scope of application of fiber-optic sensors. The efficiency of technology development. 4 СОДЕРЖАНИЕ ВВЕДЕНИЕ 5 ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА 6 1.1 Устройство волокнно-оптического кабеля 6 Методы производства оптического волокна 7 2.1 Модифицированный метод химического осаждения из газовой фазы (MCVD) 7 2.2 Метод внешнего химического осаждения (OCVD) 8 2.3 Метод осевого осаждения (VAD) 9 2.4 Метод использования заготовок стеклянных стержней 9 Типы оптических волокон 10 Одно-модовые волокна 10 Много-модовые волокна 11 3.2.1 Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления 11 3.2.2 Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления 12 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В ДАТЧИКАХ 13 Виды волоконно-оптических датчиков 13 Классификация датчиков по классам 13 ПРИНЦИП РАБОТЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ 15 Принцип работы 15 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 18 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 19 5 ВВЕДЕНИЕ Активное развитие волоконно-оптических технологий начинается в сере- дине ХХ века благодаря растущим потребностям телекоммуникационной инду- стрии. Волоконно-оптические технологии произвели настоящую революцию не только в сфере телекоммуникаций, на коммерческом рынке для производства СD-плееров, лазерных принтеров, но и в аэро-космической и военной отраслях, в областях производства материалов, медицины и строительства. Они стали идеальны в применении благодаря своим характеристикам: малый вес и габа- риты, малая мощность, устойчивость к внешним помехам. Переворот состоялся благодаря тому, что массовое производство в совокупности с техническими усовершенствованиями смогло обеспечить сверхвысокую производительность, требуя меньших издержек 6 ТЕХНОЛОГИЯ ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА 1.1 У СТРОЙСТВО ВОЛОКННО - ОПТИЧЕСКОГО КАБЕЛЯ Для того чтобы понять, как устроены волоконно-оптические датчики разберём, что такое само по себе оптоволокно, как оно устроено и на каких принципах работает. По сути, оптические волокна - это структуры из стекловидного мате- риала имеющие сердцевину из одного материала толщиной от нескольких до десятков микрон и оболочку из другого материала диаметром 125 мик- рон. Зачем делать несколько слоёв из разных материалов, да ещё и таких малых размеров? Ответ прост: показатель преломления сердцевины всегда больше показателя преломления оболочки, так как средством передачи ин- формации является свет, то за счёт такой конструкции он многократно пре- ломляясь передаётся по кабелю. Толщина же обеспечивает оптическим ка- белям гибкость, а также они гораздо легче стандартных металлических про- водов. После создания оптического волокна его нужно защитить от внеш- них воздействий, так как он по-прежнему очень тонкий и хрупкий. В зави- симости от предназначения кабели имеют разную структуру, они могут иметь несущий трос для придания жёсткости кабелю, возможно покрытие волокон лаками разного цвета для их маркировки внутри кабеля, могут со- держать гидрофобные материалы для защиты от влаги, иметь армирующий слой, в основном из кевлара, в следствии его малого веса, высоких показа- телей прочности и диэлектричсеких свойств, слои из полиэтилена, как внешние, за счёт его гибкости и прочности. 7 Методы производства оптического волокна 2.1 Модифицированный метод химического осаждения из газовой фазы (MCVD) Данный метод разработан на основе технологии изготовления полупро- водников. Хлоридные реагенты в газовой фазе и кислород впрыскиваются во враща- ющуюся трубку с диоксидом кремния. Перемещаемая горелка нагревает трубку, вызывая гомогенную реакцию, в результате которой образуются мель- чайшие сажеподобные частицы окиси. Под воздействием механизма термофо- реза эти частицы перемещаются в менее нагретую область впереди горелки и откладываются на стенках. При дальнейшем движении горелка сплавляет ча- стицы, и они об- разуют на внут- ренних стенках трубки стеклян- ное покрытие высокой чи- стоты. Измене- ние толщины и показателя пре- 8 ломления стеклянного слоя достигается изменением концентрации таких реа- гентов, как тетрахлорид кремния и тетрахлорид германия. После осаждения не- обходимого количества слоев, удовлетворяющих требованиям изготовления во- локна, к трубке подают дополнительное тепло, что приводит к ее схлопыва- нию,и образованию твердого стержня или заготовки. Эту заготовку затем поме- щают в башню для вытяжки. Конец заготовки опускают в высокотемпе- ратурную печь, где он плавится, что позволяет сформировать волокно. Это волокно пропускается через устройство, измеряющее диаметр вытяну- того волокна. 2.2 Метод внешнего химического осаждения (OCVD) Метод внешнего химического осаждения из газовой фазы аналогичен первому методу за исключением того, что при изготовлении заготовки исполь- зуется стержень-затравка. Мельчайшие сажеподобные частицы, содержащие необходимые концентрации примесей, осаждаются на стержень-затравку непо- средственно из горелки и частично спекаются. Материал сердцевины, обычно германий и диоксид кремния, осаждается первым, за ним следует материал обо- лочки - диоксид кремния. Так же при использовании метода MCVD показатель 9 преломления заготовки контролируют, изменяя состав примесей. После устра- нения стержня-затравки остаётся только заготовка оптического стекла, которая окончательно спекается, т. е. остекловывается и схлопывается под воздей- ствием высокой температуры. После этого вытягивается волокно методом башни вытяжки. 2.3 Метод осевого осаждения (VAD) В третьем методе изготовления заготовок, аналогичном методу OCVD, используется осевое осаждение из газовой фазы. При использовании этого ме- тода мельчайшие сажеподобные частицы сердцевины и оболочки осаждаются из горелки в осевом направлении, формируя стержнеобразную заготовку. Заго- товка остекловывается, преврашаясь в оптическое стекло, тем же способом, что и при методе OCVD. Преимуществом этого метода является возможность не- прерывного изготовления волокна. 2.4 Метод использования заготовок стеклянных стержней 10 При четвертом методе изготовления заготовок в трубку вводятся стеклян- ные стержни. Стержни отличаются показателями преломления или коэффици- ентами оптической чувствительности по напряжениям. Этот метод особенно подходит для производства одномодовых волокон, со- храняющих поляризацию. После введения стеклянных стержней в соответствующие положения, получившееся изделие спекают и формируют заготовку, пригодную для вытяжки волокна. Типы оптических волокон В последнем методе я упомянул про моду волокон. Что это такое? Существуют одно-модовые и много-модовые волоконно-оптические во- локна. Различаются они в первую очередь диаметром сердцевины. Так у одно- модовых волокон он может составлять 7-10 микрон, благодаря этому свет в та- ком волокне распространятся в одной основной, фундаментальной моде, за счет этого отсутствует межмодовая диспресия – это уширение оптического им- пульса, передаваемого по оптоволокну, во времени. При высокой частоте сле- дования импульсов такое уширение на некотором расстоянии от передатчика приводит к перекрыванию соседних импульсов и ошибочному приему данных. Дисперсия ограничивает как дальность, так и скорость передачи информации. Одно-модовые волокна Одно-модовые волокна деляться на три основных типа: - одно-модовое ступенчатое волокно с несмещённой дисперсией Данный тип в основном применяется в телекоммуникационных системах, оптимизирован для передачи информации на длине волны 1310нм 11 - одно-модовое волокно со смещённой дисперсией Такие волокна реализуют наилучшие характеристики по минимуму дис- персии и по минимуму потерь - одно-модовое волокно с ненулевой смещённой дисперсией В основном предназначено для применения в магистральных волоконно- оптических линиях и глобальных сетях связи, оптимизированы для использова- ния в диапазоне волн от 1530 нм до 1565 нм Много-модовые волокна Как уже понятно много-модовые волокна отличаются толщиной сердце- вины, за счет этого по ним распростроняется несколько мод излучения и каж- дая под своим углом из-за чего импульс света испытывает дисперсионные иска- жения и из прямоугольного превращается в колоколоподобный. Многомодовые волокна подразделяются на ступенчатые и градиентные. В ступенчатых волок- нах показатель преломления от оболочки к сердцевине изменяется скачкооб- разно. В градиентных волокнах это изменение происходит иначе — показатель преломления сердцевины плавно возрастает от края к центру. Основным преимуществом много-модовых их простота соединения с ис- точником света и другими волокнами, что удешевляет стоимость коннекторов и самих источников. Но из-за относительно низких пропускной способности и высокого затухания приводит к уменьшению расстояния передачи информации. 3.2.1 Многомодовое волокно со ступенчатым профилем показателя преломления В волокнах такого типа свет испытывает множественное преломление на границе сердцевины и оболочки, а показатель преломления однороден по всему волокну. Из-за модовой диспресии волокна со ступенчатой дисперсией имеют 12 низкую пропускную способность, которая высчитывается произведением рас- стояния на пропускную спобоснть. Так, если пропускная способность 30МГц*км, то это значит, что волокно способно передать на 1 км сигнал 30МГц, на 2 км сигнал 15 МГц и так далее. 3.2.2 Многомодовое волокно с градиентным профилем показателя преломления Сердечник такого волокна имеет неоднородную структуры границы пока- зателей преломления оболочки и сердцевины. Коэффициент преломления плавно уменьшается от края к оси волокна, что заставляет лучи распростра- няться по синусоиде. 13 ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ВОЛОКОН В ДАТЧИКАХ Узнав краткие свойства оптических волокон и их устройство рассмотрим, как непосредственно они могут быть использованы для создания датчиков. Виды волоконно-оптических датчиков Датчики можно разделить на точечные и распределенные. В первых характерно применение точечного элемента или специального сенсора, которые встраиваются в оптоволокно. Под воздействием внешних фак- торов, на которые рассчитан датчик, проходящий через него свет изменяет определенную характеристику. В основе работы большинства датчиков исполь- зуются дифракционные решетки Брегга. Второй тип отличается тем, что в распределенных системах в качестве чувствительного элемента используется вся площадь волоконно-оптического канала. Тут свет также изменяет свои характеристики под воздействием внеш- них факторов. Классификация датчиков по классам - датчики с модуляцией интенсивности 14 В таких датчиках внешние воздействия изменяют силу света. Имеют ма- лые размеры, так как чувствительный контур представлен модулирующим устройством, изгибы, разрывы или растяжения оптоволокна фото детектиру- ются. - фазовые сенсоры В этих датчиках внешние факторы влияют на сдвиг фазы спектра прохо- дящего через детектор излучения - поляризационный датчик Как понятно из названия в таких типах датчиков изменятся поляризация светового потока. - частотные Относительно недавно разработанный класс устройств, принцип действия которых основан на изменении частоты генерируемого, отраженного или про- пускаемого излучения. 15 ПРИНЦИП РАБОТЫ РАСПРЕДЕЛЕННОГО ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ Рассмотрим принцип работы на примере распределённого датчика изме- рения температуры, разберём его схему и принципы работы. Принцип работы В подобных датчиках, как было написано ранее, в качестве чувствитель- ного элемента выступает вся площадь оптического волокна, поэтому масштабы измерения подобного датчика ограничены только техническими возможно- стями вычислительной и измерительной частей датчика, такие как блок обра- ботки сигналов, оптических фильтров, лазерной установки и прочих компонен- тов датчиков. Первое без чего не может обойтись датчик – это источник сигнала, он же лазер. Лазер выпускает луч на расщепитель лучей, небольшая часть света пой- дет в сторону, большая часть пройдёт и попадёт в оптический фокусатор и бу- дет фокусироваться в оптическое волокно, которое будет являться датчиком. Проходя по оптическому волокну импульс лазера будет частично рассеиваться и часть рассеянного света будет возвращаться обратно, проходить через опти- ческий фокусатор, попадать на расщепитель лучей и, отражаясь, попадать в оп- тические фильтры, где отражённая часть рассеянного света фильтруется на три основные части – это: Анти-Стоксовый свет, Релеевский свет и Стоксовский свет, которые попадают на оптические приёмники и передаются на блок обра- ботки сигналов, в котором происходит обработка данных и выводиться инфор- мация о температуре в зависимости от длинны оптического кабеля. Подробнее рассмотрим, что происходит внутри оптического волокна и рассеянный свет. Свет проходя по оптическому волокну рассеивается во все стороны, в том числе и в обратном направлении хода импульса луча. В этом рассеянном свете выделяют три типа рассеянного света: 16 Релеевское рассеяние – часть отражённого света с максимальной ампли- тудой и длиной волны и равной длине волны лазера. Бриллюэновское рассеяние – часть отраженного света в жидких или твер- дых телах в результате взаимодействия с собственными упругими колебаниями среды, сопровождающееся изменением длины волны начального оптического излучения. Стоксово рассеяние – оптическое рассеяние с заметным изменением длины волны. Именно данный тип рассеяния и позволяет определить температуру на участке оптического волокна. Для объяснения этого эффекта придеться обра- титься к квантовой теории. Согласно квантовой теории излучения, излучение частоты ν рассматрива- ется как поток фотонов с энергией hν где h-постоянная Планка. При столкнове- ниях с молекулами фотоны рассеиваются. В случае упругого рассеивания они будут отклоняться от направления своего движения, не изменяя своей энергии. Но может быть и так, что при столкновении произойдёт обмен энергией между фотоном и молекулой. Молекула при этом может как приобрести, так и поте- рять часть своей энергии в соответствии с правилами квантования: её энергия может измениться на величину ΔE, соответствующую разности энергий двух разрешенных её состояний. Иначе говоря, величина ΔE должна быть равна из- менению колебательной и (или) вращательной энергий молекулы. Если моле- кула приобретает энергию ΔE, то после рассеяния фотон будет иметь энер- гию hν − ΔЕ и соответственно частоту излучения ν − ΔE/h. А если молекула по- теряет энергию ΔE, частота рассеяния излучения будет равна ν + ΔE/h. Излуче- ние, рассеянное с частотой меньшей, чем у падающего света, называется сток- совым излучением, а излучение с большей частотой называется антистоксовым. При не очень высоких температурах населённость первого колебательного уровня невелика, поэтому интенсивность антистоксова рассеяния мала. С повы- шением температуры населенность возбужденного колебательного уровня воз- растает, и интенсивность антистоксова рассеяния растёт. 17 Таким образом распределенный датчик измерения температуры исполь- зует анти-стоксово излучение для определения температуры. Области применения волоконно-оптических датчиков и их развитие Волоконно-оптические технологии нашли свое применение во множестве сфер. В медицине – за счет своих физических свойств, к примеру, для изучения сосудов человека. В производстве - для контроля качества изделий, управления технологическими цепями. В системах связи за счет своей скорости. В бытовой сфере для создания технологичных устройств. В авионике для контроля различ- ных систем. Поэтому и развитие технологий волоконно-оптических датчиков имеют высокую перспективу. Основными направлениями развития волоконно-оптиче- ских датчиков в настоящее время являются интегрально-оптические технологии, которые позволят объединить электронные схемы обработки и микрооптические компоненты в одном кристалле или микромодуле. Это значительно снизит себе- стоимость волоконных датчиков и повысит их эксплуатационныехарактери- стики. Другим перспективным направлением считается соединение возможно- стей уже созданной МЭМС-технологии и интегральной оптики. Это может при- вести к созданию целого класса устройств, реализация которых в макромасштабе крайне затруднительна или невозможна. Примером объединения оптики, меха- ники и электроники могут служить микромеханические устройства, изготовлен- ные с использованием микро- и нанотехнологий: например, DLP-процессор, ос- нованный на технологии пьезоактуаторов, использует массив поворотных мик- розеркал, модулирующих отраженный поток света по заданному алгоритму. Та- кая технология была разработана и запатентована фирмой Texas Instrument и на ее основе выпускаются проекционные DLP-телевизоры и проекторы. 18 ЗАКЛЮЧЕНИЕ Волоконно-оптические датчики совсем новая веха развития технологий, определённо имеющая свою перспективу развития, даже по базовой информа- ции, представленной в этой работе, можно понять, что за последние годы было глубже изучено и описано множество свойств оптических волноводов, а также использованы на практике для создания реальных устройств. В данной работе представлена лишь базовая информация о типах датчиках и волноводах, так как в нынешнее время их классификаций и подтипов множество и обо всех расска- зать невозможно. Главной целью работы было базовое ознакомление с исто- рией развития, технологических процессах при создании, ознакомление с базо- вой частью классификации, а также разбор принципа работы на конкретном датчике. 19 СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. МИР ЭЛЕКТРОНИКИ / Волоконно-оптические датчики. Вводный курс для инженеров и научных работников / Под ред. Эрика Удда, перевод Шка- диной, Москва, 2008г 2. СВОДНАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ / Википедия / https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптическое_волокно (10.12.2022) 3. СВОДНАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ / Википедия / https://ru.wikipedia.org/wiki/Волоконно-оптический_кабель#Классификация (10.12.2022) 4. Том 4 КУРСА «ФИЗИКА В ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ. ЭЛЕК- ТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ И ОПТИКА» / МГТУ им. Н. Э. Баумана / О.С. Литвинов, К.Б. Павлов, В.С. Горелик 5. СВОДНАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ / Википедия / https://ru.wikipedia.org/wiki/Химическое_осаждение_из_газовой_фазы (12.12.2022) 6. БАНК ЛЕКЦИЙ / Учебные материалы ОКСО 210000. Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов ВУЗ / https://siblec.ru/telekommunikatsii/fiziko-tekhnologicheskie-osnovy-volokonno- opticheskoj-tekhniki/3-metody-polucheniya-zagotovok-kvartsevykh-ov/3-1- metod-modifitsirovannogo-khimicheskogo-parofaznogo-osazhdeniya-mcvd (12.12.2022) 7. БЛОГ КОМПАНИИ ЭФО / ХАБР / https://habr.com/ru/company/efo/blog/301132/ (12.12.2022) 8. Неофициальный перевод книги Reference guide to fiber optic testing. second edition. 2011 J. Laferriere, G. Lietaert, R. Taws, S. Wolszczak 9. Видеохостинг / YouTube / Волоконно-оптические технологии. Распределен- ный датчик температуры / https://www.youtube.com/watch?v=h7kivcK0zNg 20 10. Учебное пособие Особенности использования фазочувствительных устройств в волоконно-оптических измерительных системах / В.Е. Стрига- лев, И.К. Мешковский, Я.Д. Моор, Университет ИТМО, Санкт-Петербург 2021 11. СВОДНАЯ ЭНЦИКЛОПЕДИЯ / Википедия / https://ru.wikipedia.org/wiki/Рассеяние_Мандельштама_—_Бриллюэна (22.12.2022) 12. Пособие к курсу "Нелинейная оптика" / А.М. Ильин 13. Научная статья / Волоконно-оптические датчики: перспективы промышленного при- менения / Валерий Жижин 14. |